Механическая и электромеханическая характеристики машины постоянного тока с последовательным возбуждением, режим холостого хода, режим пуска, работа под номинальной нагрузкой.

Обычная схема включения МПТ последовательного возбуждения показана на рисунке 8.25, на котором взаимные направления напряжения источника питания U, ЭДС движения Е и тока Iя соответствуют двигательному режиму работы. Поскольку обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно и по ним протекает один и тот же ток Iя, поток Ф изменяется с изменением якорного тока, т.е. поток является функцией якорного тока, т.е. Ф(Iя). При этом, уравнения электромеханической и механической характеристик имеют тот же вид, что и для МПТ независимого возбуждения

Однако следует иметь в виду, что в сопротивление якорной цепи RяΣ входит также сопротивление обмотки возбуждения Rв, а зависимость Ф(Iя), называемая кривой намагничивания, нелинейна и не имеет простого аналитического выражения. Поэтому уравнения (8.28) и (8.29) непосредственно не позволяют установить характер зависимости между скоростью и током и скоростью и моментом, т.е вид электромеханических и механических характеристик. В первом приближении эти зависимости для установившегося режима работы МПТ можно получить, если пренебречь насыщением, т.е. принять, что поток и ток якоря связаны линейной зависимостью:

,

где α – коэффициент пропорциональности между током и потоком.

Подставив в (8.28) выражение для потока из (8.30), получаем приближенное уравнение для электромеханической характеристики

С учетом того, что в данном случае момент и ток связаны зависимостью

находим уравнение механической характеристики

, где

.

Таким образом, даже при сделанном допущении из (8.31) и (8.33) следует, что электромеханическая и механическая характеристики нелинейны и представляют собой гиперболические зависимости. Одной из асимптот для обеих зависимостей является ось ординат, а другой асимптотой – прямая, параллельная оси абсцисс, уравнение которой для имеет вид:

Следует особо отметить, что полученные уравнения являются идеализированными и дают лишь самое общее представление о характеристиках МПТ последовательного возбуждения. В частности, из уравнений (8.31) и (8.33), видно, что отличительной особенностью характеристик этой машины является отсутствие точки идеального холостого хода. При снижении момента и тока снижается магнитный поток и скорость существенно возрастает, теоретически стремясь к бесконечности. Однако, реально она ограничена на некотором максимальном уровне из-за наличия остаточного потока намагничивания Ф_ост. Наличие остаточного потока определяет величину скорости идеального холостого хода

Тем не менее, если учесть, что обычно Фост не превышает (2 – 9)% от номинального значения потока, значение ω₀ может в десятки раз превышать номинальную скорость двигателя. С учетом того, что такие значения скорости недопустимы по условиям прочности механической конструкции двигателя, оказывается, что реально режим идеального холостого хода двигателя находится далеко за пределами его рабочей зоны.

Кроме того, в действительности магнитная система машины насыщена и кривая намагничивания далека от прямой. Соответственно, реальные характеристики заметно отличаются от кривых, получаемых согласно уравнениям (8.31) и (8.33).

ß электрическая характеристика

ß механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения для прямого (кривая 1) и обратного (кривая 2) направлений вращения

Пуск, реверсирование, торможение и регулирование угловой скорости двигателей последовательного возбуждения осуществляется теми же способами, что и у двигателей независимого и параллельного возбуждения с учетом специфики включения обмоток.

Работа машины постоянного тока в четырёх квадрантах плоскости механических характеристик: двигательный режим, реверсивный режим, генераторный режим, режим торможения противовключением, режим рекуперативного торможения и режим динамического торможения.

Если в уравнении механической характеристики ω=U/(KΦ)−Rя·M/(KΦ)2 изменять напряжение в интервале (+Uн,−Uн), то при различных значениях скорости и момента мы получим семейство механических характеристик, расположенных во всех четырех квадрантах плоскости параметров ω,M.

В квадрантах 1 и 3 имеем двигательный режим, так как здесь электромагнитная мощность двигателя положительна – P=Mω>0, а в квадрантах 2 и 4 реализуются тормозные (генераторные) режимы, так как здесь P<0. Причем, если двигательный режим один (область его существования отмечена горизонтальной штриховкой), то тормозных режимов несколько. Рассмотрим их.

Из теории электрических машин известно, что генераторный режим имеет место в том случае, если э.д.с. и ток двигателя одного знака. Согласно формуле U=RяIя+E имеем:

Iя=(U−E)/Rя.

Отсюда можно заключить, что ток и э.д.с. будут одного знака в трех случаях:

1. Если при одинаковых знаках, модуль э.д.с. больше модуля напряжения на якорной обмотке: |E|>|U|;

2. Если напряжение якорной обмотки равно нулю: U=0 (при ω≠0);

3. Если напряжение и э.д.с. имеют разные знаки: signU=−signE.

Режим, соответствующий первому условию, называют рекуперативным торможением. Он возникает в том случае, если скорость двигателя под действием внешнего момента, возникающего при торможении рабочего органа, превысит скорость холостого хода, т.е. рабочая точка привода по механической характеристике перейдет из квадранта 1 в квадрант 2, либо из квадранта 3 в квадрант 4. Область существования режима рекуперативного торможения отмечена вертикальной штриховкой. При этом двигатель работает как обычный генератор постоянного тока, его механическая и электромеханическая характеристики описываются теми же уравнениями ω=U/(KΦ)−RяIя/(KΦ) и ω=U/(KΦ)−Rя·M/(KΦ)². Уравнение баланса мощностей имеет вид

Pэ=Pм−ΔP

где: Pм – механическая мощность, поступающая от рабочего органа,

Pэ – мощность, генерируемая двигателем,

ΔP – потери мощности в обмотке якоря.

В соответствии с этим механическая энергия торможения рабочего органа частично возвращается в сеть, а частично рассеивается в виде потерь в двигателе.

Режим, соответствующий второму условию называют динамическим торможением. Физически он реализуется путем отключения двигателя от сети и закорачивания обмотки якоря, либо включения ее на добавочное активное сопротивление. В первом случае рабочая точка привода оказывается на линии механической характеристики при U=0, которая является механической характеристикой режима динамического торможения при Rд=0. Во втором случае уравнение механической характеристики двигателя при динамическом торможении имеет вид

ω=−(Rя+Rд)·M/(KΦ)²

Следовательно, в обоих случаях механические характеристики проходят через начало координат и отличаются только жесткостью.

Уравнение баланса мощностей для динамического торможения имеет вид Pм=ΔP.

Согласно этому уравнению механическая энергия торможения рассеивается в виде электрических потерь на добавочном сопротивлении и в обмотке якоря.

Режим, соответствующий третьему условию, называют противовключением. Физически он реализуется, если под действием момента со стороны рабочего органа двигатель начнет вращаться в обратную сторону, т.е. рабочая точка перейдет по механической характеристике из квадранта 1 в квадрант 4 или из квадранта 3 в квадрант 2. Режим противовключения возникает также, если в работающем двигателе изменить полярность напряжения на якорной обмотке. Тогда за счет инерции вращающихся частей какое-то время якорь будет вращаться в сторону, противоположную направлению момента. Отсюда и название режима. Область существования режима противовключения отмечена наклонной штриховкой.

Уравнение механической характеристики имеет вид: ω=−(U/(KΦ)+Rя·M/(KΦ)²).

При переключении полярности напряжения в обмотке якоря может возникнуть большой ток, определяемый выражением Iя=−(U+E)/Rя, поэтому необходимо предусматривать меры по его ограничению, например, путем введения добавочного сопротивления в цепь якоря или используя устройства ограничения тока в преобразователях напряжения, от которых питается двигатель.

Уравнение баланса мощностей имеет вид: Pм+Pэ=ΔP.

В соответствии с этим уравнением при торможении противовключением механическая энергия торможения и электрическая энергия, потребляемая двигателем, преобразуются в электрические потери.

Реверсирование – это изменение направление вращения двигателя. Обычно оно выполняется в две стадии. Сначала двигатель останавливается торможением, а затем изменяется направление тока якоря или обмотки возбуждения и производится пуск. В микромощных (до 500 Вт) двигателях, если нагрузка допускает ударные моменты и требуется изменение направления вращения за минимальный отрезок времени, реверсирование вращающегося двигателя осуществляют переключением обмотки якоря.

Двигательный и генераторный режимы подробно рассмотрены в 9.1.